Sumber Gambar : www.hangtuah.ac.id

1.1         Material Dalam Desain

Desain adalah proses menerjemahkan ide baru atau kebutuhan pasar ke dalam informasi rinci dari dimana suatu produk dapat diproduksi. Setiap tahapannya membutuhkan keputusan tentang materi dari produk mana yang akan dibuat dan proses pembuatannya. Biasanya, pilihan bahannya adalah ditentukan oleh desain. Tapi terkadang sebaliknya: produk baru, atau evolusi dari yang sudah ada, disarankan atau dimungkinkan oleh materi baru. jumlah bahan tersedia untuk insinyur sangat luas: sesuatu antara 40.000 dan 80.000 ada di sana (mulai dari sini 'miliknya' berarti keduanya) pembuangan. Dan meskipun standardisasi berusaha untuk mengurangi jumlahnya, terus berlanjut penampilan material baru dengan properti baru, yang dapat dieksploitasi, memperluas opsi lebih jauh.

Lalu, bagaimana insinyur memilih, dari menu yang luas ini, bahan yang paling cocok untuk tujuannya? Haruskah dia mengandalkan pengalaman? Atau dapatkah prosedur sistematis dirumuskan untuk membuat rasional? pilihan? Pertanyaannya harus dijawab pada beberapa tingkatan, sesuai dengan tahap yang desain telah tercapai. Pada awalnya desainnya lancar dan pilihannya luas; semua bahan harus dipertimbangkan. Saat desain menjadi lebih fokus dan terbentuk, kriteria pemilihan dipertajam dan daftar bahan yang dapat memuaskan mereka menyempit. Maka diperlukan data yang lebih akurat (walaupun untuk jumlah bahan yang lebih sedikit) dan cara yang berbeda untuk menganalisis pilihan harus digunakan. Pada tahap akhir desain, diperlukan data yang akurat, tetapi untuk bahan yang lebih sedikit – mungkin hanya satu. Prosedur harus mengenali kekayaan pilihan awal, mempersempitnya menjadi subset kecil, dan memberikan presisi dan detail yang menjadi dasar perhitungan desain akhir.

 

1.2         Evolusi Material

Sebuah zaman yang sudah dilalui manusia sudah mengenal peranan material untuk menunjang kehidupannya. Tentu perkembangan material menyesuaikan dengan kebutuhan manusia dan kemampuan berpikir manusia di setiap zaman. Kita telah mengenal zaman batu, perunggu, besi. Saat kemajuan peradaban berkembang pesat, kita mengenal jam tangan dari titanium, raket tenis berlapis serat karbon, sepeda gunung komposit matrix logam, helm kecelakaan poliether-etil-keton.

Evolusi material ditunjukkan oleh Gambar 1.1. Bahan pra-sejarah (<10.000 SM, Zaman Batu) yang dianggap penting adalah keramik, gelas, polimer alami, dan komposit. Senjata yang selalu menjadi puncak teknologi, terbuat dari kayu dan batu api. Bangunan dan jembatan tersusun dari batu dan kayu. Emas dan perak memiliki pengaruh besar sebagai mata uang, tetapi peran dalam teknologi relatif kecil. Pengembangan termo-kimia dasar memungkinkan  ekstraksi tembaga dan perunggu, kemudian besi (Zaman Perunggu, 4000-1000 SM dan Zaman Besi, 1000 SM-1620 M) memicu kemajuan teknologi. Sejak tahun 1960 semua yang telah berubah. Tingkat pengembangan logam baru paduan mulai melambat, sedangkan polimer dan komposit di industri mengalami perkembangan yang sangat pesat. Demikian juga untuk penggunaan keramik sebagai material yang terus berkembang.

 

1.3         Review Pemilihan Material

Material yang digunakan dalam produk memiliki dampak besar pada keberhasilan produk. Pemilihan material yang tidak sempurna mengakibatkan kapasitas penjualan yang buruk atau pengambilan atas produk. Proses pemilihan material untuk komponen mengikuti langkahlangkah sebagai berikut:

1. Mengidentifikasi persyaratan desain.

2. Mengidentifikasi kriteria pemilihan bahan.

3. Identifikasi material kandidat.

4. Mengevaluasi material kandidat.

5. Pemilihan material.

Identifikasi Persyaratan Desain. Persyaratan desain terdiri dari beberapa item, antara lain:

1. Persyaratan kinerja. Persyaratan kinerja menjelaskan atribut komponen yang berfungsi sesuai kebutuhan. Atribut dijelaskan dalam sifat mekanik, elektromagnetik,

termal, optik, fisik, kimia, elektrokimia, dan kosmetik.

2. Persyaratan keandalan. Keandalan komponen mengacu pada kemampuannya untuk berfungsi selama periode penggunaan tertentu. Kondisi penggunaan yang dimaksud adalah paparan suhu tinggi, air garam, dan getaran.

3. Persyaratan ukuran, bentuk, dan massa. Biaya untuk pembuatan komponen tergantung pada material yang menyusun komponen, proses manufaktur yang digunakan, apakah komponen dibuat khusus, kuantitas material atau komponen yang dibeli dan kualitas material.

4. Persyaratan biaya.

5. Persyaratan manufaktur dan perakitan.

6. Standar industri.

7. Peraturan pemerintah.

8. Persyaratan kekayaan intelektual.

9. Persyaratan keberlanjutan.

1.4         Klasifikasi Material

Terdapat banyak sekali jenis material yang tersedia di alam. Di dalam dunia teknik, material umumnya diklasifikasikan menjadi lima jenis yaitu : material logam, keramik, glass, elastomer, polymer, dan material komposit. Gambar dibawah ini menunjukkan klasifikasi material teknik tersebut. Saat ini penggunaan material logam dan berbagai paduannya masih mendominasi bahan peralatan mesin. Contoh : engine dan komponenkomponennya 99% terbuat dari logam. Penggunaan material komposit dan keramik untuk perlatan mesin pada akhir abad 20 mulai berkembang cukup pesat. Contoh : komposit untuk struktur pesawat terbang, struktur kapal cepat, pipa, tangki dll, sedangkan keramik digunakan untuk bearing, dan komponen tribologi lainnya. Mengingat saat ini komponen mesin umumnya terbuat dari logam maka dalam bab ini pembahasan lebih fokus pada material logam dan paduannya.

 

1.5         Kelompok Material Teknik

Material dapat diklasifikasikan ke dalam enam kelompok, yaitu logam, polimer, elastomer, keramik, kacamata, dan hibrida seperti yang ditunjukkan oleh Gambar dibawah ini. Setiap klasifikasi material dapat saja memiliki properti dan alur proses yang serupa, dan bahkan digunakan untuk keperluan yang sama.

Logam memiliki modulus elastisitas yang relatif tinggi. Logam adalah keadaan murni, cenderung lembut dan mudah cacat. Logam dapat dibuat kuat dengan menambahkan unsur paduan atau perlakuan mekanis dan panas. Logam yang dihasilkan tetap ulet, sehingga masih memungkinkan dibentuk melalui proses deformasi. Paduan kekuatan tinggi tertentu seperti baja pegas memiliki daktilitas hingga 1 persen, tetapi terjadi luluh sebelum patah. Patahan yang terjadi adalah patah ulet. Karena daktilitasnya, logam menjadi rentan terhadap kelelahan tetapi tahan terhadap korosi. Keramik memiliki modulus tinggi, tetapi rapuh. Kekuatan tarik keramik adalah kekuatan patah getasnya. Sedangkan kekuatan tekannya mencapai 15 kali lebih besar. Karena daktilitasnya yang rendah, maka keramik memiliki toleransi yang rendah pada konsentrasi tegangan atau tekanan kontak tinggi. Bahan ulet memungkinkan distribusi beban lebih merata pada saat deformasi sehingga dapat digunakan di bawah beban statis dengan margin kecil dari kekuatannya. Hal ini tidak mungkin terjadi pada keramik. Keramik memiliki fitur kaku, keras, dan tahan abrasi, tahan terhadap suhu tinggi, dan ketahanan korosinya baik. Kaca adalah padatan non-kristalin (amorf). Yang paling lazim digunakan adalah kaca soda-kapur dan boro-silikat sebagai botol dan ovenware. Logam juga dapat dibuat non-kristalin melalui pendinginan cepat. Kurangnya struktur kristal menyebabkan keramik dan kaca menjadi keras, rapuh dan rentan terhadap konsentrasi tegangan. Polimer memiliki modulus yang rendah, kira-kira 50 kali lebih sedikit daripada logam, tetapi kekuatan polimer dapat sekuat logam. Defleksi elastisitasnya cukup besar, dapat mulur pada suhu kamar. Sifat-sifat polimer tergantung pada suhu. Polimer yang tangguh dan fleksibel pada 200 C akan menjadi rapuh pada 40 C, dapat mulur sangat cepat pada 1000 C.

Kombinasi sifat seperti kekuatan dan berat menjadi penting. Polimer juga mudah dibentuk dalam satu operasi. Finishing yang dilakukan paling-paling pewarnaan. Polimer juga memiliki ketahanan korosi yang baik. Elastomer adalah polimer rantai panjang di atas suhu transisi kaca, Tg. Ikatan kovalen yang menghubungkan unit rantai polimer tetap utuh, tetapi ikatan Van der Waals dan ikatan hydrogen lebih lemah. Modulus Young elastomer 10-3 GPa (105 kali lebih kecil dari logam) yang meningkat seiring dengan suhu. Hibrida adalah kombinasi dari dua atau lebih bahan dalam konfigurasi dan skala tertentu. Hibrida menggabungkan sifat menarik dari kelompok material dan menghindari beberapa kelemahannya. Kelompok material hibrida adalah komposit serat dan partikulat, struktur sandwich, struktur kisi, busa, kabel, dan laminasi. Semua bahan alam, seperti kayu, tulang, kulit, daun adalah hibrida. Saat ini, komposit dengan matriks polimer diperkuat dengan serat kaca, karbon atau Kevlar (aramid). Sifat material ini ringan, kaku dan kuat, dan tangguh, tetapi tidak dapat digunakan pada suhu di atas 2500 C. Material hibrida relatif mahal dan sulit untuk dibentuk dan digabung.

 

1.6         Pengertian Sifat Material

Sifat-sifat standar material antara lain kepadatan, modulus, kekuatan, ketangguhan, konduktivitas termal dan listrik. Densitas adalah massa per satuan volume. Satuan densitas adalah kg/m3 . Pengukuran dilakukan dengan merujuk teori Archimedes, yaitu dengan menimbang berat di udara dengan di dalam cairan yang densitasnya diketahui. Harga adalah biaya material yang mencakup rentang tertentu. Satuan yang digunakan dalam buku ini adalah $/kg. Biaya material tertentu $0.2 / kg, namun di lain waktu dapat mencapai $1000/kg. Harga material mengalami fluktuasi, dan tergantung pada kuantitas yang dibutuhkan. Terlepas dari ketidakpastian ini, sangat penting untuk dapat memperkirakan harga dalam pemilihan material.

Dibawah ini terlampir tabel Sifat Material dan Satuan SI:

1.7         Strategi Pemilihan Material

Setiap material selalu ditandai dengan: densitas, kekuatan, biaya, ketahanan korosi dan yang lainnya. biasanya permintaan desain selalu menghendaki densitasnya rendah, kekuatannya tinggi, harganya terjangkau, dan tahan terhadap air laut. Dua hal penting dalam pemilihan material adalah:

1. Identifikasi profil material yang diinginkan.

2. Membandingkannya dengan material teknik di lapangan untuk memperoleh kesesuaian

yang terbaik.

Tahapan pertama adalah translasi yaitu menguji kebutuhan desain untuk mengidentifikasi kendala (constraint) sehingga dapat menentukan material yang cocok. Material yang ada di sekitar kita sangat banyak, untuk itu perlu dilakukan pemilihan melalui penyaringan (screening) dan pemeringkatan (ranking) atas material kandidat yang memiliki kemampuan dan kinerjanya yang maksimal. Kriteria untuk penyaringan dan pemeringkatan diturunkan dari kebutuhan desain setiap komponen dengan melakukan analisis fungsi (function), kendala (constraint), tujuan (objective) dan variabel bebas.

1.8         Sifat Mekanik Material

Pemahaman yang menyeluruh mengenai sifat-sifat material, perlakuan, dan proses pembuatannya sangat penting untuk perancangan mesin yang baik. Sifat material umumnya diklasifikasikan menjadi sifat mekanik, sifat fisik, sifat kimiawi. Di dalam bab ini kita hanya membahas sifat-sifat mekanik.

Sifat mekanik secara umum ditentukan melalui pengujian destruktif dari sampel material pada kondisi pembebanan yang terkontrol. Sifat mekanik yang paling baik adalah didapat dengan melakukan pengujian prototipe atau desain sebenarnya dengan aplikasi pembebanan yang sebenarnya. Namun data spesifik seperti ini tidak mudah diperoleh sehingga umumnya digunakan data hasil pengujian standar seperti yang telah dipublikasikan oleh ASTM (American Society of Mechanical Engineer).

Sifat-sifat umum material logam

Besi Cor (Cast Iron)

Besi cor putih (white cast iron)

Besi cor putih ini bersifat sangat keras dan juga getas. Besi cor ini sulit di-mesin dan penggunaannnya sangat terbatas seperti untuk lining pada mixer semen dimana kekerasannya sangat diperlukan.

Besi cor kelabu (grey cast iron)

Besi cor jenis ini paling banyak digunakan. Jenisnya bervariasi dan diklasifikasikan berdasarkan kekuatannya. Penggunaannya diantaranya adalah untuk rangka meisn,

blok mesin, teromol rem dan sebagainya.

Malleable cast iron

Besi cor ini mempunyai kekuatan tarik yang lebih tinggi dibanding besi cor kelabu dan banyak digunakan untuk komponen mesin yang menerima tegangan lentur.

Nodular cast iron

Kekuatannya paling tinggi diantara besi cor. Besi cor ini lebih tangguh, lebih kuat, lebih ulet, dan lebih tidak berpori dibanding besi cor kelabu. Material ini biasa digunakan untuk komponen yang menerima beban fatigue seperti piston, poros engkol, dan cam.

Baja Cor (Cast Steel)

Komposisi kimia baja cor ini sama dengan wrought steel tetapi sifat-sifat mekaniknya lebih rendah daripada wrought steel. Kelebihan baja ini adalah mudah diproses dengan sand casting dan investment casting.

Wrought Steel

Kata “wrought” berarti manipulasi bentuk material dilakukan tanpa melelehkannya. Ada dua macam proses yang biasa dilakukan yaitu hot rolling dan cold rolling.

Hot-rolled steel

Material ini dibuat dengan melewatkan billet baja panas pada beberapa roller yang akan mengubah bentuknya menjadi I-beam, channel section, pelat, lembaran, kotak, tube, dan sebagainya. Baja jenis ini banyak digunakan untuk rangka struktur, dan komponen-komponen mesin yang memerlukan proses pemesinan

lainnya.

Cold rolled steel

Baja ini dibuat dari billet atau bentuk hasil hot rolling, dengan melewatkannya melewati roller pada temperatur kamar. Hasil proses ini biasanya adalah berupa pelat, lembaran, tube, serta batang berpenampang lingkaran atau persegi.

Aluminium

Wrought Aluminum Alloys

Paduan aluminium jenis ini tersedia dalam bentuk I-beam, channel, batang, lembaran, tube, dan batang berpenampang lingkaran, dan bersudut.

Cast Aluminum Alloys

Paduan aluminium jenis ini berbeda formulasinya dengan wrought alloy. Penggunaanya lebih dikhususkan untuk diproses dengan pengecoran.

Titanium

Titanium mempunyai beberapa kelebihan dibanding material lain yaitu ringan, sangat kuat, nonmagnetik, tahan korosi, dan dapat digunakan pada temperatur tinggi (sampai 750°C). Adapun kekurangannya adalah mahalnya harga titanium bila dibandingkan dengan baja dan aluminium.

Magnesium

Logam ini adalah yang paling ringan diantara logam komersial yang ada tetapi relative lemah. Sifatnya sangat mudah dicor dan di-mesin tetapi lebih getas daripada aluminium. Selain itu logam ini juga mempunyai ketahanan korosi yang cukup baik, paling aktif dalam skala galvanis, dan sangat mudak terbakar.

Paduan Tembaga

Tembaga murni mempunyai sifat sangat lunak, lemah dan mudah dibengkokkan. Penggunaannya diantaranya adalah untuk pipa, konduktor dan motor. Paduannya yang paling banyak digunakan adalah kuningan (brass) dan perunggu (bronze). Kuningan adalah paduan tembaga dengan zinc sedangkan perunggu pada dasarnya adalah paduan tembaga dengan timah. Namun saat ini perunggu juga terdiri dari beberapa jenis yaitu silicon bronze, beryllium bronze, dan Phospor bronze.

            Dibawah ini merupakan standar penomoran baja & kurva teganganr-egangan Tarik tiga jenis baja paduan:

Sifat-sifat umum material non logam

Penggunaan bahan non-logam mengalami peningkatan dalam jangka waktu 50 tahun terakhir. Keuntungan penggunaan bahan non-logam ini adalah bobotnya yang ringan, tahan korosi, tahan temperatur tinggi, mudah dibuat dan sifat dielektriknya bagus. Secara garis besar ada tiga macam bahan non-logam yaitu polimer, keramik, dan komposit.

Polimer

Polimer adalah molekul rantai panjang dari bahan organik atau campuran berbasis karbon. Polimer ini terdiri atas dua macam yaitu thermoplastic dan thermosets. Bahan thermoplastic mudah dicetak dan akan mencair kembali jika dipanaskan. Adapun material thermoset akan mengalami ikatan silang pada saat pertama kali dipanaskan dan akan terbakar bila dipanaskan ulang.

Keramik

Keramik yang digunakan dalam dunia teknik adalah merupakan campuran unsur logam dan non-logam. Keramik ini dapat berupa oksida logam tunggal, campuran oksida logam, karbida, nitrida, borida, dan bahan lain seperti Al2O3, MgO, SiC, dan Si3N4. Sifat-sifat utama keramik adalah kekerasan yang tinggi, sangat getas, tahan temperatur tinggi, punya ketahanan kimia yang tinggi, kekuatan tekan yang tinggi, kekuatan dielektrik yang tinggi, serta harga dan bobot yang rendah.

            Kurva tegangan regangan tarik –tiga jenis polimer termoplastik & jenis jenis polimer dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Komposit

Komposit pada dasarnya adalah gabungan bahan-bahan yang berbeda dalam skala makro. Adapun contoh komposit alami yang ada di alam adalah kayu yang merupakan gabungan serat selulosa didalam matriks lignin. Komposit buatan manusia biasanya merupakan gabungan antara material serat yang kuat seperti serat kaca, karbon atau boron yang digabungkan dalam matriks resin seperti epoxy atau polimer. Kelebihan komposit adalah sifatnya yang dapat diatur. Salah satu cara pengaturan sifat pada material komposit adalah dengan mengubah arah orientasi, susunan, dan sudut material penyusunnya.